多指抓取的控制系统结构综述

1、多指抓取的控制系统结构浅析摘要多指灵巧手作为仿生学与机器人学结合的产物，具有人手的 一些外形特征和功能。多指灵巧手是第 4 代机器人，通过模拟人 类运动、感知、控制、能量、材料方面的仿生，实现模拟人手运 动。多指灵巧手正在日益朝着具有柔顺灵巧的操作功能，具有力 觉、触觉、视觉等智能化方向发展。要灵巧手完成特定的操作任 务，必须对灵巧手进行抓取规划。灵巧手的抓取规划是把某个抓 取任务分解成从初始状态到目的状态的手指的运动序列，然后通 过运动规划把抓取规划得到的运动序列变成手指的理想运动轨 迹。本文将研究一种模块化的灵巧操作控制系统，这是一个通用 的开放式多指操作控制系统，并结合该系统中抓取规划和

2、协调控 制子系统的结构，提出一种时间 - 事件混合驱动的自主抓取策略。关键字： 灵巧手，模块化，多指，抓取，控制多指抓取的控制系统结构概述多指灵巧手可以看成满足一定约束关系的多个小机器人，对 于多指手协调控制的研究，现在很多是按照多机器人协调控制的 方法进行的。目前，多指操作控制的研究不能可靠地完成各种期 望的灵巧操作任务，除了硬件因素以外，控制系统框架缺少统一 的标准、灵活性和通用性，难于实现控制功能的扩展和实时操作 任务的完成是一个主要因素。本文将研究一种模块化的灵巧操作控制系统 ( modular control system architecture for dexterous man

3、ipulation，MoCoSADeM )， 这是一个通用的开放式多指操作控制系统， 并结合 MoCoSADeM 中抓取规划和协调控制子系统的结构，提出一种时间 - 事件混合 驱动的自主抓取策略。灵巧操作控制系统虽然多指手的协调控制方法很多，但是能够可靠地完成各种 精细操作的实例很少，一个主要的制约因素是多指手控制系统框 架缺乏统一的标准、通用性和灵活性，难于融合各种控制算法从 而实现控制功能的扩展和完善。针对这个问题，本章将首先介绍两种典型的多指手控制系统 结构，然后提出模块化的灵巧操作控制系统( MoCoSADeM )。2.1 多指手控制结构综述Murray 利用人手的生物控制系统思想，

4、将整个多指手的手的控制系统分为 3 个层次：单手指控制层、多手指协调层和物体运动规划层。多手指协调层和物体运动规划层是模仿人的行为功能，实现规划、决策、学习以及任务的协调等；而单手指控制层是整个控制系统的执行层和基础，它根据协调层和任务规划层的 控制命令实现手指目标位置和力的控制，这是决定多指手抓取和 操作性能的关键。秦志强和李泽湘等基于多指操作的瞬时运动学和速度 / 力控 制提出了统一的灵巧操作控制系统框架(CoSAM2)。CoSAM2 有 3 个主要功能：基于速度 / 力控制实现被抓取物体的运动轨迹跟踪。在物体抓取过程中能够改变抓取姿态。对抓取力进行最优化，以施加力约束和平衡外力作用。Co

5、SAM2具有模块化、层次化的结构特点，每个模块根据有 关信息执行特定的功能。CoSAM2具有很好的灵活性和扩展性， 通过模块的增加可以实现多种控制算法和功能。2.2 模块化的灵巧操作控制系统借鉴CoSAM2的结构特点，提出一种基于多指操作位形运动 学和位置 /力混合控制的模块化的灵巧操作控制系统(MoCoSADeM)，如图 1 所示。与 CoSAM 2 相比，MoCoSADeM具有以下几个突出的特点：完整地体现了灵巧操作多级多层的控制结构。MoCoSADeM 包括抓取规划和协调控制、多指控制等两级子系 统，在多指控制系统中包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡尔 - 关节接口层 3 个层次，笛卡尔层

6、和关节层包括位置控制模块、阻 尼控制模块和力控制模块。（2）基于位形空间进行多指协调控制系统中，基于多指操 作的位形运动学进行协调运动规划，基于混合外力控制方法实现 柔顺运动规划。与多指操作的瞬时运动学相比，位形运动学更加 本质地反映了多指操作的运动特性，具有更大的适用范围。（3）具有更好的开放性和灵活性。手指控制系统的笛卡尔 层和关节层各提供了位置控制、 阻抗控制和力控制 3 个功能模块， 用户可以利用这些模块设计不同的手指控制算法，从而完善和扩 展多指抓取系统的功能。抓取规划和协调控制系统任务图1模块化的灵巧操作控制系统( MoCoSADeM )2.3模块化的灵巧操作控制系统的组成MoCo

7、SADeM完整地体现了灵巧操作多级多层的控制结构, 它包括抓取规划和协调控制、手指控制等两级子系统，在手指控制系统中又包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡儿-关节接口层3个层次1.抓取规划和协调控制系统抓取规划和协调控制系统根据任务要求进行物体运动和力的规划、多指手运动和力的规划以及多指手的柔顺运动规划，如图2所示。抓取规划和协调控制系统包括以下 5个功能模块。1）物体运动规划器基于物体位姿传感器获得的物体位置信息oG Fd和物体力信息 oGFext，根据操作任务进行物体的运动规划， 生成期望的物体位置 bp和力oGFd。期望的物体位置ObTd输人到协调运动规划器，而期 望的物体力oGFd输人到抓

8、取力规划器。图2抓取规划和协调控制系统2）协调运动规划器根据物体运动规划器生成的物体期望位置ObTd抓取规划器生 成的接触点位置obT、抓取系统的模型信息和传感信息（如触觉 等），基于多指操作的位形运动学计算每个手指的指尖位置，以 指尖在手指基坐标系的位置向量 bt p 表示。3）抓取力规划器 根据物体运动规划器生成的物体期望力 tbFd 进行手指抓取力 的优化，结合多指抓取的静力学，计算每个手指的期望指尖力， 以相对于手指基坐标系的指尖期望力 tbFd 来表示。4）柔顺运动规划器 柔顺运动规划器是抓取规划和协调控制子系统和手指控制 子系统的接口，用户可以根据需要灵活地进行手指柔顺运动规划 器

9、的设计。根据协调运动规划器输出的期望指尖位置；p、抓取力 规划器输出的期望指尖力 tbF 和力传感器测量得到的实际指尖力 tbF ，基于混合外力控制策略实现手指的柔顺运动规划，产生每 个手指的新的期望指尖位置，输出到手指位置控制器。5）抓取规划器 根据操作任务产生物体接触点的位置，输出到协调运动规划 器和抓取力规划器。2. 手指控制系统 在手指控制系统中包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡尔 - 关节接口层 3 个层次。 在笛卡尔 -关节接口层中， 用户可以根据手 指的运动学、静力学和动力学，灵活地进行手指笛卡尔层和关节 层的接口设计。笛卡尔层和关节层为适应不同的操作任务，都包括位置控制模块、力控

10、制模块和阻抗控制模块，用户可以根据需 要灵活地进行选择和应用。自主抓取策略机器人灵巧手是 20 年来机器人领域的热点研究方向之一自 主操作和遥操作是两种主要的灵巧操作方式，目前自主操作大多 处于理论研究或者实验室仿真阶段，少量的自主抓取实验是在抓 取对象确定且模型已知的情况下进行的，多指操作控制的研究尚 不能可靠地完成各种灵巧操作任务。这除了硬件因素以外，缺乏 统一的多指操作控制系统和自主抓取策略是一个主要原因。现有 的多指手协调控制方法很多，如单关节控制、力变换控制、广义 计算力矩控制、阻抗控制等，但是多指手控制系统框架缺少统一 的标准、灵活性和通用性，难于实现控制功能的扩展和实时操作 任务

11、的完成。下文将基于模块化的灵巧操作控制系统研究多指手 的自主抓取控制。3.1 时间驱动的自主抓取策略 时间驱动的自主抓取策略是一种理想化的基于模型的多指 抓取方法，需要精确的系统建模、运动规划和控制。采用时间驱 动的自主抓取策略进行操作以前，根据作业任务要求和抓取系统 模型离线地进行抓取规划和协调运动规划，确定各手指与物体的 接触点位置，生成各手指的期望位置序列和期望力序列。多指手 的自主抓取过程分为预抓取、抓取和操作 3 个阶段，采用时间驱 动的自主抓取策略时 3 个阶段的情况如下。1）预抓取阶段灵巧手在自由空间中运动，各手指向物体接近。在预抓取阶 段，物体运动规划器输出的物体期望位置不变，

12、抓取力规划器处 于非工作状态，柔顺运动规划器中的外环力控制器处于非工作状 态。在预抓取阶段，各手指的目标位置应该充分接近该手指与物 体的接触点位置。根据手指的当前位置和预抓取目标位置，协调 运动规划器产生手指的位置 -时间序列，基于手指位置控制器使各 手指按照期望轨迹运动。当各手指到达目标位置时，预抓取阶段 结束。2）抓取阶段手指从自由空间过渡到约束空间。在抓取阶段，物体运动规 划器输出的物体期望位置不变，协调运动规划器输出的手指期望 位置不变，抓取力规划器和柔顺运动规划器中的外力控制器由预 抓取阶段的非工作状态转为工作状态，实现手指与物体的稳定接 触。工作状态的切换是时间驱动的，依赖于抓取系

13、统的精确建模 和运动规划。3）操作阶段采用多指手协调控制方法，使被操作物体跟踪期望的运动轨 迹和力。在操作阶段，抓取规划和协调控制子系统的所有模块均 处于工作状态。采用时间驱动的自主抓取策略时，在预抓取阶段各手指的目 标位置充分接近但是小于手指与物体的接触点位置，预抓取阶段 结束时手指与物体并没有发生接触。在抓取阶段开始以后，基于外环的力控制器使手指在自由空间中向物体运动并且与物体接 触。3.2 时间-事件混合驱动的自主抓取策略时间驱动的自主抓取策略完全依赖于精确的抓取系统建模、 运动规划和控制，是一种理想化的自主抓取方法。本节提出的时 间-事件混合驱动的自主抓取策略， 如图 3 所示。在预抓

14、取阶段和 操作阶段基于时间进行驱动，在抓取阶段采用事件驱动方式。与 时间驱动的自主抓取策略相比， 时间 -事件混合驱动的自主抓取策 略不需要精确的抓取系统模型和运动规划。开始X./图3时间-事件混合驱动的自主抓取策略1）预抓取阶段在预抓取阶段，物体运动规划器输出的物体期望位置不变， 抓取力规划器处于非工作状态，柔顺运动规划器中的外环力控制 器处于非工作状态。协调运动规划器产生手指的位置-时间序列, 各手指以规划的速度向物体接近并且与物体发生接触。根据物体 的力平衡条件设定各手指的接触力阈值，当手指与物体之间的接 触力达到该手指的接触力阈值时，立即停止该手指的运动，同时保存手指的当前位置作为抓取

15、阶段的期望位置，保存手指位置控制器的当前输出值用于抓取阶段的力控制。依此类推，当所有手 指以规定的接触力阈值与物体接触时，预抓取阶段阶段。2）抓取阶段当所有手指以规定的接触力阈值与物体接触以后，预抓取过 程结束，抓取阶段开始。在抓取阶段，物体运动规划器输出的物 体期望位置和协调运动规划器输出的手指期望位置不变，抓取力 规划器和柔顺运动规划器中的外环力控制器由非工作状态转为 工作状态，状态的切换基于所有手指与物体发生接触这一事件进 行驱动。与时间驱动的自主抓取策略不同，采用该抓取策略的预 抓取阶段结束时，各手指与物体均已经发生接触。3）操作阶段采用多指手协调控制方法，使被操作物体跟踪期望的运动轨

16、 迹和力。在操作阶段，抓取规划和协调控制子系统的所有模块均 处于工作状态。位置控制环和力控制环同时工作。结束语随着计算机技术和智能控制技术的飞速发展，机器人的研究 也向高精度、精巧灵活、柔顺性好等方向发展。要达到这样的要 求，主要是靠多指灵巧手的开发研究。秦志强和李泽湘等基于多指操作的瞬时运动学和速度 / 力控 制提出了统一的灵巧操作控制系统框架（ CoSAM 2）。针对多指 手控制系统框架缺乏统一标准、灵活性和通用性差的问题，本文借鉴CoSAM2的结构特点，提出一种基于多指操作位形运动学和 位置/力混合控制的模块化的灵巧操作控制系统 (MoCoSADeM) 该控制框架完整地体现了灵巧操作多级多层的结构特点，具 有很好的通用性、开放性和灵活性，通过模块的组合或改变可以 实现多种控制算法。结合 MoCoSADeM 系统中抓取规划和协调控 制子系统的结构特点， 提出了一种时间 -事件混合驱动的自主抓取 策略，并且分预抓取、抓取和操作 3 个阶段对自主抓取策略进行 了分析。参考文献姜力. 机器人灵